甘肅古浪黃花灘調(diào)蓄供水工程渠首調(diào)蓄水池設(shè)計分析

張興磊

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

古浪縣身居內(nèi)陸腹地，降水稀少，人均自產(chǎn)水資源量僅為全國平均水平的1/7、全省平均水平的1/3，是全省乃至全國水資源最短缺的地區(qū)之一。

黃花灘生態(tài)移民區(qū)從2013年水利骨干建成后開始試運(yùn)行，目前各項工程試運(yùn)行良好。但隨著移民安置點的調(diào)整，灌區(qū)開發(fā)耕作范圍也相應(yīng)發(fā)生一定變化，黃花灘干渠沿線開發(fā)面積逐步增大，干渠沿線由于缺乏骨干引水工程而造成的工程型缺水問題逐漸突出。同時，灌區(qū)開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大及灌溉配套設(shè)施的不斷完善，灌區(qū)用水規(guī)模逐年擴(kuò)大，未來還需加快灌區(qū)節(jié)水改造進(jìn)程，進(jìn)一步加大向黃花灘生態(tài)移民區(qū)供水力度。

1 項目區(qū)概況

古浪縣地處甘肅省河西走廊東端，祁連山北部，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，多年平均降雨量207.7 mm，蒸發(fā)量2807 mm，最大凍土深度110 cm。

黃花灘灌區(qū)位于古浪縣城東北部黃花灘、西靖兩鎮(zhèn)交界處，是古浪縣生態(tài)移民暨扶貧開發(fā)的新灌區(qū)。渠首調(diào)蓄水池(3號)項目位于古浪縣縣城東北部，東南靠景電二期工程古浪灌區(qū)，西北伸入黃花灘與古浪河灌區(qū)相接，南鄰淺山地帶，北緣騰格里沙漠，該地區(qū)為古浪縣北部平原區(qū)，屬石羊河沖、洪積平原，海拔在1600 m～2000 m之間。項目涉及主要河流為大靖河。

項目區(qū)地處西北高原，日照時間長，溫差較大，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干旱，地表、地下水貧乏，屬典型的干旱型大陸性氣候。據(jù)統(tǒng)計資料，全年平均氣溫6.6℃，極端最高氣溫33℃(1967年7月28日)，極端最低氣溫-26.4℃(1968年2月8日)；多年平均降水量207.7 mm，最大314 mm(1970年)，最小95 mm(1962年)，降水量多集中在7月、8月、9月三個月，最大一次降水量22.8 mm(1958年6月1日)。

2 調(diào)蓄水池設(shè)計

2.1 調(diào)蓄水池池頂超高設(shè)計

調(diào)蓄水池池頂安全超高按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)中的壩頂超高計算確定，取設(shè)計工況和校核工況中的大值[1]。

(1)壩頂在調(diào)蓄水池靜水位以上超高計算(設(shè)計工況)：

Y=R+e+A

(2)校核工況下超高計算：

Y=R+e+A+H1

式中：Y為壩頂超高，m；R為最大波浪在壩坡上的爬高，m；e為最大風(fēng)壅水面高度，m；A為安全加高，m；本工程為4級工程，A設(shè)計=0.5 m；H1為地震壅浪高度為0.5 m～1.5 m，取0.5 m。

地震區(qū)的安全加高應(yīng)增加地震沉降和地震壅浪高度，壩頂高程等于水池靜水位與壩頂高程之和，應(yīng)按以下運(yùn)用條件計算，取其最大值：①正常蓄水位位加正常運(yùn)用條件的壩頂超高；②正常蓄水位位加非常運(yùn)用條件的壩頂超高，再按本規(guī)范規(guī)定加地震安全超高。

(3)波浪平均波高和平均周期宜采用莆田實驗站公式

波浪要素確定：

Tm=4.438hm0.5

式中：hm為平均波高，m；Tm為平均波周期，s；W為計算風(fēng)速，根據(jù)項目區(qū)氣象站資料，項目區(qū)年最大風(fēng)速20 m/s，正常使用取最大風(fēng)速的1.5倍，則W=30.0 m/s，而根據(jù)項目區(qū)氣象觀測資料，項目區(qū)最大風(fēng)速出現(xiàn)在春秋兩季，時間上有重合，因此非常運(yùn)用取20.0 m/s；D為風(fēng)區(qū)長度，m；根據(jù)項目區(qū)風(fēng)向與正常蓄水位時的水面寬度，D=458 m；Hm為風(fēng)區(qū)內(nèi)的平均水深，m；根據(jù)剖面計算得平均水深10 m，故Hm取10 m；g為重力加速度，m/s2，g=9.81 m/s2；Lm為平均波長，m；H為壩迎水面前水深，m；H=10.0 m。

波浪要素計算結(jié)果見表1。

表1 波浪要素計算表

(4)設(shè)計波浪爬高計算

水庫設(shè)計為單坡，當(dāng)m=1.5～5.0時，波浪爬高按下式計算：

波浪爬高計算結(jié)果見表2。

表2 波浪爬高計算表

(5)風(fēng)壅水面高度計算

在有限風(fēng)區(qū)情況下，風(fēng)壅水面高度按下式計算：

式中：e為計算點的風(fēng)壅水面高度，m；K為綜合摩阻系數(shù)，可取K=3.6×10-6；W為設(shè)計風(fēng)速，按計算波浪的風(fēng)速確定；D為風(fēng)區(qū)長度；F=470 m；Hm為水域的平均水深，m；β為風(fēng)向與垂直堤軸線的法線的夾角，水池形狀不規(guī)則，風(fēng)向與堤線法線方向有重合，因此夾角取0°。

風(fēng)壅水面高度計算結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)壅水面高度計算表

(6)計算成果

通過計算(結(jié)果見表4)，正常運(yùn)用條件下池頂超高1.72 m，非正常運(yùn)用條件下池頂超高1.50 m，根據(jù)規(guī)范要求各工況下取其大值，池頂超高設(shè)計值取1.72 m，設(shè)計水位1764.00 m，設(shè)計池頂高程最小應(yīng)為1765.72 m。經(jīng)綜合考慮，調(diào)蓄水池頂高程確定為1765.8 m，滿足要求。

表4 池頂超高計算結(jié)果統(tǒng)計表

根據(jù)規(guī)范要求，池頂應(yīng)預(yù)留竣工后沉降超高，本階段沉降超高按最大填方高度的1%考慮，取0.02 m。

2.2 調(diào)蓄水池池坡設(shè)計

調(diào)蓄水池池址區(qū)地形較為平坦，場地平均高程在1767.7 m左右，受黃花灘干渠取水口渠底高程(1764.25 m)限制，調(diào)蓄水池基本為挖方形式。

由于復(fù)合土工膜與土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)及土石介質(zhì)間的摩擦系數(shù)將影響防滲體的穩(wěn)定，必須復(fù)核復(fù)合土工膜與壩坡、復(fù)合土工膜與保護(hù)層的抗滑穩(wěn)定性。

根據(jù)《聚乙烯(PE)土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范》(SL/T 231-98)，復(fù)合土工膜穩(wěn)定性驗算公式為：

K=f/tgα

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為上墊層與土工膜之間的摩擦系數(shù)；α為壩坡坡角。

根據(jù)上、下墊層材料，查《水工設(shè)計手冊》(第二版)及《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》(第二版)得f=0.65；而根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)，本工程池坡穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于1.25。經(jīng)計算，滿足復(fù)合土工膜穩(wěn)定性要求的壩坡坡角為27.47°，相對應(yīng)的坡比為1∶1.92，即滿足穩(wěn)定要求的調(diào)蓄水池最大坡比為1∶1.92。

綜上，考慮池坡穩(wěn)定及下墊層細(xì)礫料斜坡碾壓施工要求，并參考已實施調(diào)蓄水池成功經(jīng)驗，調(diào)蓄水池迎水面邊坡坡比取1∶2.75，背水面邊坡坡比取1∶2.0。

2.3 調(diào)蓄水池護(hù)坡設(shè)計

(1)迎水面護(hù)坡設(shè)計

本工程迎水面采用預(yù)制C30混凝土板護(hù)面，考慮到防止土工膜老化、凍脹及冰塊擠壓及拉拔破壞等因素，并參考類似項目的成功經(jīng)驗，本階段擬定護(hù)坡厚度t=10 cm，為便于施工，護(hù)坡設(shè)計為邊長為25 cm的六邊形預(yù)制塊，混凝土等級C30F200。

(2)背水面護(hù)坡設(shè)計

背水面設(shè)計邊坡1∶2，護(hù)坡采用現(xiàn)澆C25砼框格，截面尺寸15 cm×30 cm，框格尺寸為2.0 m×2.0 m，框格嵌入壩體20 cm。

2.4 調(diào)蓄水池池頂構(gòu)造設(shè)計

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274-2001)，中、低壩的壩頂寬度取5 m～10 m。綜合考慮池頂交通、運(yùn)行巡檢管理要求，池頂寬度設(shè)計為6.0 m。管理道路路面采用20 cm厚C30砼路面，池頂臨水側(cè)設(shè)有高1.5 m的鋼制欄桿，為方便排水，池頂路面向外側(cè)作成2%的坡度，在外側(cè)設(shè)置20 cm×20 cm×10 cm(寬×高×厚)的排水溝。為滿足調(diào)蓄水池夜間管理需求，調(diào)蓄水池池頂臨水側(cè)每隔20 m設(shè)置一套太陽能路燈系統(tǒng)，路燈高度6.0 m。

3 結(jié)語

本工程通過興建渠首調(diào)蓄水池(3號)工程，可改善黃花灘移民區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施，解決黃花灘生態(tài)移民區(qū)夏季高峰期及冬季日光溫室反季節(jié)種植缺水問題，促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)增收，為保障區(qū)域社會安定、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)，為移民區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供水源保障，對于發(fā)揮片區(qū)整體效益，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)增收、實現(xiàn)區(qū)域精準(zhǔn)脫貧具有很大的促進(jìn)作用，是古浪縣委、縣政府積極落實“全面建成小康社會”，貫徹執(zhí)行習(xí)近平總書記“著力推進(jìn)扶貧開發(fā)，盡快改變貧困地區(qū)面貌，堅決打贏脫貧攻堅戰(zhàn)”重要指示精神的有力舉措。